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1、工业数据通信与控制网络工业数据通信与控制网络清华大学自动化系清华大学自动化系62783125-252阳宪惠阳宪惠1学习研究第第1讲讲 工业数据通信与控制网络概述工业数据通信与控制网络概述主要内容主要内容控制网络与现场总线控制网络与现场总线控制网络与现场总线控制网络与现场总线控制网络与计算机网络的区别控制网络与计算机网络的区别控制网络与计算机网络的区别控制网络与计算机网络的区别数据通信系统数据通信系统数据通信系统数据通信系统( ( ( (网络网络网络网络) ) ) )网络网络网络网络化化控制系统控制系统控制系统控制系统全分布式全分布式全分布式全分布式控制系统控制系统控制系统控制系统传感器总线、设
2、备总线和现场总线传感器总线、设备总线和现场总线传感器总线、设备总线和现场总线传感器总线、设备总线和现场总线早期的现场总线技术早期的现场总线技术早期的现场总线技术早期的现场总线技术2学习研究控制系统对网络的要求控制系统对网络的要求控制系统对网络的要求控制系统对网络的要求控制网络在企业网络系统中的地位与作用控制网络在企业网络系统中的地位与作用控制网络在企业网络系统中的地位与作用控制网络在企业网络系统中的地位与作用控制网络控制网络控制网络控制网络面临的问题面临的问题面临的问题面临的问题控制网络与上层网络的连接方式控制网络与上层网络的连接方式控制网络与上层网络的连接方式控制网络与上层网络的连接方式控制
3、网络的技术发展与标准化控制网络的技术发展与标准化控制网络的技术发展与标准化控制网络的技术发展与标准化课程的几个教学环节课程的几个教学环节课程的几个教学环节课程的几个教学环节3学习研究第第1 1讲讲 工业数据通信与控制网络概工业数据通信与控制网络概述述工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领工业数据通信与控制网络是近年来发展形成的自控领域的网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术域的网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术域的网络技术。是计算机网络、通信技术与自控技术域的网络技术。是计算机网络、
4、通信技术与自控技术结合的产物结合的产物结合的产物结合的产物 适应了企业信息集成系统适应了企业信息集成系统适应了企业信息集成系统适应了企业信息集成系统 、管理控制一体化管理控制一体化管理控制一体化管理控制一体化 系统的系统的系统的系统的发展趋势与需要发展趋势与需要发展趋势与需要发展趋势与需要。工业工业工业工业数据通信系统数据通信系统数据通信系统数据通信系统；生产现场；生产现场；生产现场；生产现场网络系统网络系统网络系统网络系统；网络集成式；网络集成式；网络集成式；网络集成式控制系统控制系统控制系统控制系统。是是是是ITITITIT技术在自控领域的延伸技术在自控领域的延伸技术在自控领域的延伸技术在
5、自控领域的延伸; ; ; ;自控领域的自控领域的自控领域的自控领域的ITITITIT技术技术技术技术本课程讲述多种总线的技术特点、规范、通信控制芯本课程讲述多种总线的技术特点、规范、通信控制芯本课程讲述多种总线的技术特点、规范、通信控制芯本课程讲述多种总线的技术特点、规范、通信控制芯片、接口电路、控制网络的设计与应用等片、接口电路、控制网络的设计与应用等片、接口电路、控制网络的设计与应用等片、接口电路、控制网络的设计与应用等4学习研究控制网络与现场总线控制网络与现场总线 什么是现场总线技术？什么是现场总线技术？什么是现场总线技术？什么是现场总线技术？IECIECIECIEC规范中对现场总线的描
6、述：现场总线是一种应用于规范中对现场总线的描述：现场总线是一种应用于规范中对现场总线的描述：现场总线是一种应用于规范中对现场总线的描述：现场总线是一种应用于生产生产生产生产现场现场现场现场，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实，在现场控制设备之间、现场设备与监控装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。行双向、串行、多节点数字通信的技术。行双向、串行、多节点数字通信的技术。行双向、串行、多节点数字通信的技术。控制网络：控制网络：控制网络：控制网络：由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量
7、控制仪由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪由多个分散在生产现场、具有数字通信能力的测量控制仪表作为网络节点而形成的网络表作为网络节点而形成的网络表作为网络节点而形成的网络表作为网络节点而形成的网络以现场总线作为通信连接的纽带以现场总线作为通信连接的纽带以现场总线作为通信连接的纽带以现场总线作为通信连接的纽带完成测量控制任务的完成测量控制任务的完成测量控制任务的完成测量控制任务的网络系统网络系统网络系统网络系统、控制系统控制系统控制系统控制系统5学习研究6学习研究控制网络与计算机网络的区别控制网络与计算机网络的区别网络节点网络节点网
8、络节点网络节点计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端计算机网络：计算机、工作站、打印机、显示终端控制网络：除了以上设备之外，还有控制网络：除了以上设备之外，还有控制网络：除了以上设备之外，还有控制网络：除了以上设备之外，还有PLCPLCPLCPLC、数字调节器、数字调节器、数字调节器、数字调节器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有开关、马达、变送器、阀门、按钮等。为内嵌有CPUCPUCPUCPU、单、单、单、单
9、片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备片机或其它专用芯片的设备，或功能简单的非智能设备 工作环境工作环境工作环境工作环境计算机网络：办公室计算机网络：办公室计算机网络：办公室计算机网络：办公室控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、控制网络：工业生产现场，酷暑严寒、粉尘、电磁干扰、震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求震动、易燃
10、易爆环境（本质安全），总线供电的需求震动、易燃易爆环境（本质安全），总线供电的需求 7学习研究任务任务任务任务计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有计算机网络：传输文件、图象、话音等。许多情况下有人参与。人参与。人参与。人参与。控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。控制网络：传输工业数据（图象），承担自动测控任务。许多情况下要求自动完成许多情况下要求自动完成许多情况下要求自动完成
11、许多情况下要求自动完成特点特点特点特点实时性实时性实时性实时性可靠性的要求高可靠性的要求高可靠性的要求高可靠性的要求高数据帧包含的字节数少数据帧包含的字节数少数据帧包含的字节数少数据帧包含的字节数少控制网络是一类控制网络是一类控制网络是一类控制网络是一类特殊的网络特殊的网络特殊的网络特殊的网络广泛应用于广泛应用于广泛应用于广泛应用于离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以离散、连续制造业，交通、楼宇、家电、以至农、林、牧、渔等各行各业。至农、林、牧、渔等各行各业。至农、林、牧、渔等各行各业。至农、林、牧、渔等各行各业。8
12、学习研究工业数据通信系统工业数据通信系统工业数据通信工业数据通信工业数据通信工业数据通信在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、在测量、控制设备的各功能单元之间、设备与设备之间、以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。以及这些设备与计算机之间传递数据信息的过程。工业数据通信工业数据通信工业数据通信工业数据通信: : : : 多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程多个工业控制设备之间二进制数据的
13、交换过程多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程多个工业控制设备之间二进制数据的交换过程 它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信它区别于电话、电报通信，也有别于计算机通信工业数据通信的内容工业数据通信的内容工业数据通信的内容工业数据通信的内容生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置生产装置运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置开关状态、报警状态开关状态、报警状态开关状态、报警状态开关状态、报警状态设备的
14、资源信息与维护信息、零点量程调校信息设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息系统组态、参数修改信息等系统组态、参数修改信息等系统组态、参数修改信息等系统组态、参数修改信息等 9学习研究工业数据通信的网络结构工业数据通信的网络结构传统的测量控制系统在设备间一对一的并行连线，即点到点布线传送传统的测量控制系统在设备间一对一的并行连线，即点到点布线传送传统的测量控制系统在设备间一对一的并行连线，即点到点布线传送传统的测量控制系统在设备间一对一的并行连线，即点到点布线传送模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 现场总线系统
15、：一对导线上可挂接多个传感器、执行器、开关、按钮，现场总线系统：一对导线上可挂接多个传感器、执行器、开关、按钮，现场总线系统：一对导线上可挂接多个传感器、执行器、开关、按钮，现场总线系统：一对导线上可挂接多个传感器、执行器、开关、按钮，控制设备等，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，成为数字信控制设备等，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，成为数字信控制设备等，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，成为数字信控制设备等，总线是现场设备之间数字信号的传输介质，成为数字信息的公共传输通道息的公共传输通道息的公共传输通道息的公共传输通道控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，实现数字
16、控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，实现数字控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，实现数字控制网络（现场总线系统）按网络连接方式构建数据通道，实现数字信号的串行传输，形成数据通信网络。信号的串行传输，形成数据通信网络。信号的串行传输，形成数据通信网络。信号的串行传输，形成数据通信网络。 工业数据通信网络的规模工业数据通信网络的规模工业数据通信网络的规模工业数据通信网络的规模。三、两个数据节点的简单系统三、两个数据节点的简单系统三、两个数据节点的简单系统三、两个数据节点的简单系统成千上万台设备的复杂网络成千上万台设备的复杂网络成千上万台设备的复杂网络成千上万台设备的
17、复杂网络 一个汽车组装生产线可能有多达一个汽车组装生产线可能有多达一个汽车组装生产线可能有多达一个汽车组装生产线可能有多达25252525万个万个万个万个I/OI/OI/OI/O点点点点 石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备石油炼制过程的一个普通装置也会有上千台测量控制设备 10学习研究生产现场的网络系统11学习研究网络化连接网络化连接 传统控制系统的一对一连接传统控制系统的一对一连接 网网络化连接络化连接 12学习研究Network-based control system13学
18、习研究传感器总线、设备总线和现场总线传感器总线、设备总线和现场总线 传感器总线属于位传感器总线属于位传感器总线属于位传感器总线属于位(Bit)(Bit)(Bit)(Bit)级总线，其通信帧的长度只有几个数级总线，其通信帧的长度只有几个数级总线，其通信帧的长度只有几个数级总线，其通信帧的长度只有几个数据位或十几位据位或十几位据位或十几位据位或十几位如如如如ASIASIASIASI（Actuator Sensor InterfaceActuator Sensor InterfaceActuator Sensor InterfaceActuator Sensor Interface）总线）总线）总线
19、）总线 设备总线属于字节设备总线属于字节设备总线属于字节设备总线属于字节(Byte)(Byte)(Byte)(Byte)级总线，其通信帧的长度一般为几级总线，其通信帧的长度一般为几级总线，其通信帧的长度一般为几级总线，其通信帧的长度一般为几个到几十个字节个到几十个字节个到几十个字节个到几十个字节如如如如CANCANCANCAN（Control Area NetworkControl Area NetworkControl Area NetworkControl Area Network）总线）总线）总线）总线 现场总线则属于块现场总线则属于块现场总线则属于块现场总线则属于块(Block)(Bl
20、ock)(Block)(Block)级的总线级的总线级的总线级的总线, , , ,其通信帧的长度可达到其通信帧的长度可达到其通信帧的长度可达到其通信帧的长度可达到几百个字节，当要传输的数据块再长时，可支持分包传送。几百个字节，当要传输的数据块再长时，可支持分包传送。几百个字节，当要传输的数据块再长时，可支持分包传送。几百个字节，当要传输的数据块再长时，可支持分包传送。如如如如Foundation FieldbusFoundation FieldbusFoundation FieldbusFoundation Fieldbus、ControlnetControlnetControlnetCont
21、rolnet、ProfibusProfibusProfibusProfibus 传感器总线、设备总线可统称为现场总线传感器总线、设备总线可统称为现场总线传感器总线、设备总线可统称为现场总线传感器总线、设备总线可统称为现场总线 14学习研究早期的现场总线技术早期的现场总线技术 早期的现场总线（工业电话线），把传感器、按钮、执行机构早期的现场总线（工业电话线），把传感器、按钮、执行机构等测量控制部件接到某种类型的控制器上，例如等测量控制部件接到某种类型的控制器上，例如PLCPLC或者是工或者是工业计算机。业计算机。对控制器的输入包括按钮、传感器、接触器的位置状态与数值，对控制器的输入包括按钮、传感
22、器、接触器的位置状态与数值，控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门等。控制器的输出用于驱动信号灯、接触器、开关、调节阀门等。第一个设备层现场总线：第一个设备层现场总线：上世纪上世纪7070年代，在年代，在PLCPLC出现的同时，出现的同时，Culter-HammerCulter-Hammer推出了第一个设备层推出了第一个设备层现场总线系统。现场总线系统。 早期早期早期早期(80(80(80(80年代年代年代年代) ) ) )出现至今还在应用的几种现场总线出现至今还在应用的几种现场总线出现至今还在应用的几种现场总线出现至今还在应用的几种现场总线 General ElectricGen
23、eral ElectricGeneral ElectricGeneral Electric的的的的Genius I/O;Genius I/O;Genius I/O;Genius I/O;PhoenixPhoenixPhoenixPhoenix的的的的Interbus;Interbus;Interbus;Interbus;TURCKTURCKTURCKTURCK的的的的Senseplex;Senseplex;Senseplex;Senseplex;Process Data Process Data Process Data Process Data 的的的的P P P PNETNETNETNET
24、15学习研究Genius I/O Genius I/O 在在在在PLCPLCPLCPLC之间、之间、之间、之间、PLCPLCPLCPLC与人机界面之间传递数据信息与人机界面之间传递数据信息与人机界面之间传递数据信息与人机界面之间传递数据信息 令牌总线令牌总线令牌总线令牌总线, , , ,采用分支受限制的总线拓扑；采用分支受限制的总线拓扑；采用分支受限制的总线拓扑；采用分支受限制的总线拓扑； 网段节点数网段节点数网段节点数网段节点数32323232个；每个节点的输入、输出均为个；每个节点的输入、输出均为个；每个节点的输入、输出均为个；每个节点的输入、输出均为1024102410241024位，位
25、，位，位， 传输距离约传输距离约传输距离约传输距离约1000100010001000米米米米/ / / /传输速率传输速率传输速率传输速率153.6K153.6K153.6K153.6K时时时时;2250;2250;2250;2250米米米米/ / / /传传传传输速率输速率输速率输速率38.4K38.4K38.4K38.4K时；时；时；时； 屏蔽双绞线，光缆；屏蔽双绞线，光缆；屏蔽双绞线，光缆；屏蔽双绞线，光缆； 采用采用采用采用FSKFSKFSKFSK频移键控调制信号频移键控调制信号频移键控调制信号频移键控调制信号 16学习研究InterbusInterbusInterbusInterbu
26、s 在物理连接方式属于直线总线，数据传输属于数据环的在物理连接方式属于直线总线，数据传输属于数据环的在物理连接方式属于直线总线，数据传输属于数据环的在物理连接方式属于直线总线，数据传输属于数据环的方式方式方式方式 总线最多带有总线最多带有总线最多带有总线最多带有64646464个节点个节点个节点个节点, , , ,每个节点的输入、输出数据为每个节点的输入、输出数据为每个节点的输入、输出数据为每个节点的输入、输出数据为16161616位位位位 覆盖距离最远可达覆盖距离最远可达覆盖距离最远可达覆盖距离最远可达12.512.512.512.5公里公里公里公里 典型传输速率为典型传输速率为典型传输速率
27、为典型传输速率为500Kbps 500Kbps 500Kbps 500Kbps 物理信号连接遵循物理信号连接遵循物理信号连接遵循物理信号连接遵循EIAEIAEIAEIA485485485485标准标准标准标准 采用采用采用采用单总帧结构单总帧结构单总帧结构单总帧结构, , , ,数据帧中有效位的比率高数据帧中有效位的比率高数据帧中有效位的比率高数据帧中有效位的比率高17学习研究SenseplexSenseplexSenseplexSenseplex 最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。最初用于德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。最初用于
28、德国科隆福特汽车公司机器人的焊接臂上。工作环境靠近电磁场工作环境靠近电磁场工作环境靠近电磁场工作环境靠近电磁场, , , ,抗噪声、抗噪声、抗噪声、抗噪声、抗电磁干扰抗电磁干扰抗电磁干扰抗电磁干扰方面的能方面的能方面的能方面的能力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好力很强，在上述恶劣环境中的工作状态良好 SenseplexSenseplexSenseplexSenseplex系统采用主从结构；系统采用主从结构；系统采用主从结构；系统采用主从结构； 连接采用连接采用连接采用连接采用75757575欧姆同轴电缆；欧姆同轴电
29、缆；欧姆同轴电缆；欧姆同轴电缆； 使用使用使用使用FSKFSKFSKFSK频移键控调制信号；频移键控调制信号；频移键控调制信号；频移键控调制信号； 采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全采用总线拓扑，支持总线供电和本质安全; ; ; ; 节点总数为节点总数为节点总数为节点总数为32/64/12032/64/12032/64/12032/64/120个个个个 每个节点的数据输入、输出位均为每个节点的数据输入、输出位均为每个节点的数据输入、输出位均为每个节点的数据输入、输出位均为8 8 8 8位。位。位。位。 主节点与最远从节点
30、之间的距离为主节点与最远从节点之间的距离为主节点与最远从节点之间的距离为主节点与最远从节点之间的距离为200200200200米，使用中继米，使用中继米，使用中继米，使用中继器可使该距离增加至器可使该距离增加至器可使该距离增加至器可使该距离增加至400400400400米。米。米。米。 传输速度为传输速度为传输速度为传输速度为187K187K187K187K18学习研究P-NetP-Net用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环境用于动物饲养系统，奶制品厂，啤酒厂，农业环境控制等控制等可以形成网络结构较为复杂的系统可以形成网络结构较为复杂的系统EIA-485EIA-485标准，屏蔽双铰线标准
31、，屏蔽双铰线传输速率为传输速率为76.8Kbps76.8Kbps最大传输距离为最大传输距离为1200m1200m每段最多可以连接每段最多可以连接125125个设备。个设备。每帧数据为每帧数据为5656位当数据大于位当数据大于5656位时位时P-NetP-Net采用分段结构的采用分段结构的多主多主网络系统网络系统, ,网络中可以连网络中可以连接多至接多至3232个主节点。个主节点。 19学习研究P-Net多主网络系统 20学习研究小结小结从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。从早期总线技术可以看出工业数据通信与控制网络的特点。它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的工作环境、各
32、种通信它在网络结构、节点种类、通信帧的长度、所处的工作环境、各种通信技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都具有区别于话音通信、计算技术参数、需要考虑解决的问题等方面，都具有区别于话音通信、计算机通信系统的显著特征。机通信系统的显著特征。早期总线技术的缺点早期总线技术的缺点大多是专有通信技术，自成系统，不具备开放性。不同生产厂商的产品大多是专有通信技术，自成系统，不具备开放性。不同生产厂商的产品之间不能相互通信，通信帧一般较短之间不能相互通信，通信帧一般较短 开放总线的典型范例开放总线的典型范例CANCAN有公开统一的技术规范有公开统一的技术规范多个芯片制造商：多个芯片制造商：MotorolaM
33、otorola、 IntelIntel、PhilipsPhilips、HitachiHitachi开放性促进了该技术的发展与推广应用开放性促进了该技术的发展与推广应用 21学习研究新型控制系统结构新型控制系统结构 网络化控制系统网络化控制系统 控制系统的结构变迁控制系统的结构变迁 基地式气动仪表基地式气动仪表 气动、电动系列的单元组合式仪表气动、电动系列的单元组合式仪表 集中式数字控制系统集中式数字控制系统 集散控制系统集散控制系统 DCSDCS、PLCPLC网络化现场控制系统网络化现场控制系统 FCSFCS22学习研究网络化控制系统的特点网络化控制系统的特点 结构上形成设备的网络式连接结构上
34、形成设备的网络式连接结构上形成设备的网络式连接结构上形成设备的网络式连接节省大量线缆、槽架、连接件；节省大量线缆、槽架、连接件；节省大量线缆、槽架、连接件；节省大量线缆、槽架、连接件；连线设计与接头校对的工作量也大大减少连线设计与接头校对的工作量也大大减少连线设计与接头校对的工作量也大大减少连线设计与接头校对的工作量也大大减少 增加现场控制设备无需增设新的电缆增加现场控制设备无需增设新的电缆增加现场控制设备无需增设新的电缆增加现场控制设备无需增设新的电缆实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，实现了工业数据的网络式远程传输与集中管理，扩大了操作扩大了操作扩大了操作扩大了操作人员的视野，人员的
35、视野，人员的视野，人员的视野，为远程监视与操作提供了基础条件为远程监视与操作提供了基础条件无人值守机站无人值守机站 将控制功能模块置入现场设备，实现了全分布式控制系统将控制功能模块置入现场设备，实现了全分布式控制系统支持总线供电支持总线供电为自动化系统与其它信息系统的沟通，为实现企业的管理控为自动化系统与其它信息系统的沟通，为实现企业的管理控制一体化创造了条件制一体化创造了条件23学习研究网络集成式控制系统24学习研究扩大了操作视野扩大了操作视野传统传统 4-20 mA只能看到只能看到 I/O 子系统子系统现场总线现场总线视野可以扩展到现场仪表视野可以扩展到现场仪表控制器控制器控制系统网络控制
36、系统网络现场总线现场总线远程输入远程输入/输出输出子系统子系统控制器控制器控制系统网络控制系统网络25学习研究网络化、全分布式控制系统网络化、全分布式控制系统26学习研究控制系统对网络的要求 开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性开放性、互可操作性、通信的实时性、对环境的适应性 开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其它厂商设备开放性：通信协议公开，能与任一遵守相同标准的其
37、它厂商设备互连为系统互连为系统互连为系统互连为系统互可操作性：互可操作性：互可操作性：互可操作性： 互连设备间的信息传送与沟通；互连设备间的信息传送与沟通；互连设备间的信息传送与沟通；互连设备间的信息传送与沟通； 互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换互用：不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换通信的实时性：具有严格的时序和定时要求通信的实时性：具有严格的时序和定时要求通信的实时性：具有严格的时序和定时要求通信的实时性：具有严格的时序和定时要求 达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点
38、间的达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时序，甚至会造成灾难性的后果。动作时序，甚至会造成灾难性的后果。动作时序，甚至会造成灾难性的后果。动作时序，甚至会造成灾难性的后果。环境适应性环境适应性环境适应性环境适应性 在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、抗电磁在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、抗电磁在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、抗电磁在高温、严寒、粉尘等恶劣环境下能正常工作，能抗震动、抗电磁干扰、在易燃易爆环境下能保证本
39、质安全，有能力支持总线供电等干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等干扰、在易燃易爆环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等 27学习研究控制网络在企业网络系统中的地位与作用控制网络在企业网络系统中的地位与作用 企业网络系统的层次结构企业网络系统的层次结构企业网络系统的层次结构企业网络系统的层次结构 Internet-Intranet-InfranetInternet-Intranet-InfranetInternet-Intranet-InfranetInternet-Intranet-Infranet的网络结构的
40、网络结构的网络结构的网络结构 功能层次。功能层次。功能层次。功能层次。企业资源规划层企业资源规划层企业资源规划层企业资源规划层ERPERPERPERP（Enterprise Resource PlanningEnterprise Resource PlanningEnterprise Resource PlanningEnterprise Resource Planning）制造执行层制造执行层制造执行层制造执行层MESMESMESMES（Manufacturing Execution SystemManufacturing Execution SystemManufacturing Exec
41、ution SystemManufacturing Execution System）现场控制层现场控制层现场控制层现场控制层FCSFCSFCSFCS（Field Control SystemField Control SystemField Control SystemField Control System） 信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、信息类型：运行参数的测量值、控制量、阀门的工作位置、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、开关状态、报警状态、设备
42、的资源与维护信息、系统组态、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、开关状态、报警状态、设备的资源与维护信息、系统组态、参数修改、零点量程调校信息等参数修改、零点量程调校信息等参数修改、零点量程调校信息等参数修改、零点量程调校信息等。 28学习研究企业网络系统的层次结构29学习研究30学习研究31学习研究现场控制层面临的问题控制网络种类繁多，形形色色的现场总线再加上控制网络种类繁多，形形色色的现场总线再加上控制网络种类繁多，形形色色的现场总线再加上控制网络种类繁多，形形色色的现场总线再加上DCSDCSDCSDCS、PLCPLCPLCPLC、SCADASCADASCADASCADA等
43、等等等网络内部的通信一致性差，个异性强网络内部的通信一致性差，个异性强网络内部的通信一致性差，个异性强网络内部的通信一致性差，个异性强控制网络与信息网络存在较大差异控制网络与信息网络存在较大差异控制网络与信息网络存在较大差异控制网络与信息网络存在较大差异通信协议，网络节点类型等有较大差异通信协议，网络节点类型等有较大差异通信协议，网络节点类型等有较大差异通信协议，网络节点类型等有较大差异控制网络与信息网络实现信息交换有难度控制网络与信息网络实现信息交换有难度控制网络与信息网络实现信息交换有难度控制网络与信息网络实现信息交换有难度实时性、环境适应性方面还面临许多问题需要解决实时性、环境适应性方面
44、还面临许多问题需要解决实时性、环境适应性方面还面临许多问题需要解决实时性、环境适应性方面还面临许多问题需要解决32学习研究控制网络与上层网络的连接方式控制网络与上层网络的连接方式 采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段采用专用网关完成不同通信协议的转换，把控制网段或或或或DCSDCSDCSDCS连接到以太网上连接到以太网上连接到以太网上连接到以太网上 将现场总线网卡和以太网卡都置入工业将现场总线网卡和以太网卡都置入工业将现场总线网卡和以太网卡都置入工业将现场总线网卡和以太网卡都置入工业PCPCP
45、CPC机的机的机的机的PCIPCIPCIPCI插槽插槽插槽插槽内，在内，在内，在内，在PCPCPCPC机内完成数据交换。实现控制网段与上层网机内完成数据交换。实现控制网段与上层网机内完成数据交换。实现控制网段与上层网机内完成数据交换。实现控制网段与上层网络的连接络的连接络的连接络的连接将将将将WEBWEBWEBWEB服务器直接置入服务器直接置入服务器直接置入服务器直接置入PLCPLCPLCPLC或现场控制设备内，借助或现场控制设备内，借助或现场控制设备内，借助或现场控制设备内，借助WEBWEBWEBWEB服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互服
46、务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互服务器和通用浏览工具，实现数据信息的动态交互 33学习研究通过网关连接控制网段与上层网络 34学习研究采用PCI卡连接控制网段与上层网络 35学习研究控制网络的技术发展与标准化 现场总线的百花齐放与兴盛发展现场总线的百花齐放与兴盛发展现场总线的百花齐放与兴盛发展现场总线的百花齐放与兴盛发展各种总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有各种总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有各种总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有各种总线一百多种，其中宣称为开放型总线的就有40404040多种多种多种多种 欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究欧洲
47、、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力进行研究开发开发开发开发形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准形成了各式各样的企业、国家、地区、及国际现场总线标准现场总线组织现场总线组织现场总线组织现场总线组织现场总线基金会（现场总线基金会（现场总线基金会（现场总线基金会（Fieldbus FoundationFieldbus FoundationFieldbus Founda
48、tionFieldbus Foundation）LonMarkLonMarkLonMarkLonMark协会协会协会协会, , , , ProfibusProfibusProfibusProfibus协会，协会，协会，协会，工业以太网协会工业以太网协会工业以太网协会工业以太网协会IEAIEAIEAIEA（ Industrial Ethernet AssociationIndustrial Ethernet AssociationIndustrial Ethernet AssociationIndustrial Ethernet Association），），），），工业自动化开放网络联盟工业自
49、动化开放网络联盟工业自动化开放网络联盟工业自动化开放网络联盟IAONAIAONAIAONAIAONA（ Industrial Automation Industrial Automation Industrial Automation Industrial Automation Open Network AllianceOpen Network AllianceOpen Network AllianceOpen Network Alliance）Society of Automotive Engineers Inc.Society of Automotive Engineers Inc.Soc
50、iety of Automotive Engineers Inc.Society of Automotive Engineers Inc.（SAESAESAESAE）36学习研究 现场总线国际标准化组织及标准化进程现场总线国际标准化组织及标准化进程现场总线国际标准化组织及标准化进程现场总线国际标准化组织及标准化进程IEC/TC65IEC/TC65IEC/TC65IEC/TC65 负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作负责测量和控制系统数据通信国际标准化工作 于于于于1984198419841984年就开始着手总线
51、标准的制定，致力于推出世界上单年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单年就开始着手总线标准的制定，致力于推出世界上单一的现场总线标准，于一的现场总线标准，于一的现场总线标准，于一的现场总线标准，于1993199319931993年制定了年制定了年制定了年制定了IEC61158-2IEC61158-2IEC61158-2IEC61158-2 历经波及全球的现场总线标准大战，历经波及全球的现场总线标准大战，历经波及全球的现场总线标准大战，历经波及全球的现场总线标准大战，16161616年的艰难历程后，于年的艰难历程后，于年的艰难历程后，于年的艰难
52、历程后，于2000200020002000年初宣布年初宣布年初宣布年初宣布8 8 8 8种现场总线共同构成种现场总线共同构成种现场总线共同构成种现场总线共同构成IECIECIECIEC现场总线国际标准子现场总线国际标准子现场总线国际标准子现场总线国际标准子集集集集IEC 61158IEC 61158IEC 61158IEC 61158；ControlNetControlNetControlNetControlNet；ProfibusProfibusProfibusProfibus；P-NetP-NetP-NetP-Net；High Speed High Speed High Speed Hig
53、h Speed EthernetEthernetEthernetEthernet；Newcomer SwiftNetNewcomer SwiftNetNewcomer SwiftNetNewcomer SwiftNet；WorldFIPWorldFIPWorldFIPWorldFIP；Interbus-SInterbus-SInterbus-SInterbus-S 以后该标准又增加为以后该标准又增加为以后该标准又增加为以后该标准又增加为10101010种，种，种，种，13131313种种种种 实时以太网在没有形成正式标准之前以有实时以太网在没有形成正式标准之前以有实时以太网在没有形成正式标准之
54、前以有实时以太网在没有形成正式标准之前以有14141414个子集个子集个子集个子集37学习研究IEC/17BIEC/17B负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准负责制定低压开关装置与控制装置用控制设备之间的接口标准已通过的标准已通过的标准IEC62026IEC62026，包括，包括第第2 2部分部分ASIASI第第3 3部分部分 DeviceNetDeviceNet；第第4 4部分智能分布式系统部分智能分布式系统SDSSDS（Smart Distributed SystemSmart Distributed System）; ; 第第5 5部分部分Senseplex Sense
55、plex ISOISO最早成为现场总线国际标准的最早成为现场总线国际标准的CANCAN（ISO11898ISO11898） 其它有实力、有发展前景的控制网络技术其它有实力、有发展前景的控制网络技术LonWorks; HARTLonWorks; HART；ModbusModbus；CC-Link;CC-Link;蓝牙无线；蓝牙无线；ZigbeeZigbee；消费电子；消费电子总线总线; ;光总线等光总线等每种总线技术都具有自己的特点与优势每种总线技术都具有自己的特点与优势多种总线并存为用户带来了诸多不便，但却促成了控制网络技术的多种总线并存为用户带来了诸多不便，但却促成了控制网络技术的多姿多彩多
56、姿多彩 38学习研究 本门课程涉及多种总线技术，有助于拓宽通信与网络方面本门课程涉及多种总线技术，有助于拓宽通信与网络方面本门课程涉及多种总线技术，有助于拓宽通信与网络方面本门课程涉及多种总线技术，有助于拓宽通信与网络方面的知识面的知识面的知识面的知识面 课程的教学环节课程的教学环节课程的教学环节课程的教学环节讲课、自学、实验、通信规范的翻译理解讲课、自学、实验、通信规范的翻译理解讲课、自学、实验、通信规范的翻译理解讲课、自学、实验、通信规范的翻译理解讲课介绍网络与通信基础、现场总线的技术特点、应用系统讲课介绍网络与通信基础、现场总线的技术特点、应用系统讲课介绍网络与通信基础、现场总线的技术特
57、点、应用系统讲课介绍网络与通信基础、现场总线的技术特点、应用系统开设开设开设开设FFFFFFFF、工业以太网、无线通信等实验、工业以太网、无线通信等实验、工业以太网、无线通信等实验、工业以太网、无线通信等实验IEEE802.15.4IEEE802.15.4IEEE802.15.4IEEE802.15.4无线个人局域网标准无线个人局域网标准无线个人局域网标准无线个人局域网标准 教材：教材：教材：教材：工业数据通信与控制网络工业数据通信与控制网络工业数据通信与控制网络工业数据通信与控制网络现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用现场总线技术及其应用 阳宪惠主编，清华大学出版社。阳宪惠主编，清华大学出版社。阳宪惠主编，清华大学出版社。阳宪惠主编，清华大学出版社。 课程几个教学环节考查结果的综合课程几个教学环节考查结果的综合课程几个教学环节考查结果的综合课程几个教学环节考查结果的综合39学习研究
